基于ANSYS的汽車車架可靠性分析研究(很好很全)

1、鄭州輕工業(yè)學院本科畢業(yè)設計（論文）題 目 基于ANSYS的汽車車架可靠性分析研究 學生姓名 劉傲鵬 專業(yè)班級 機設06-5 學 號 200602010524 院 （系） 機電工程學院 指導教師 李育文（教授） 完成時間 2010 年 5 月 20 日 鄭州輕工業(yè)學院畢業(yè)設計（論文）任務書題 目 基于ANSYS的汽車車架可靠性分析研究 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 班 級 機設06-5班 學 號 24號 姓 名 劉傲鵬 主要內(nèi)容：1. 測繪得到一部車架的尺寸，在此基礎上使用Pro/E建模。2. 將實體模型導入ANSYS，建立車架有限元模型。3. 通過對有限元模型的動靜態(tài)分析，得出該車架的可靠性

2、參數(shù)。基本要求：建立正確的有限元模型對車架進行典型工況的靜態(tài)和動態(tài)分析，并在此基礎上進行可靠性分析，得出車架的可靠性參數(shù)。主要參考資料：1. 汽車可靠性工程基礎2. ANSYS10.0有限元分析自學手冊3. ANSYS8.0結(jié)構(gòu)分析及實例解析4. 汽車現(xiàn)代設計制造完 成 期 限：指導教師簽章： 專業(yè)負責人簽章： 2010年 03月 01日基于ANSYS的汽車車架可靠性分析研究摘 要本文以長春一汽輕型車廠生產(chǎn)的華凱牌CA5160CLXYK28L5BE3A型倉柵運輸車車架為研究對象，對其進行了靜力和模態(tài)分析，在此基礎上研究了車架的可靠性。車架尺寸在河南名優(yōu)汽配廣場測得，一些重要參數(shù)通過網(wǎng)絡查得。車

3、架實體模型在Pro/E中裝配，然后通過接口導入ANSYS中。本文首先建立了以實體單元為基本單元的車架有限元模型，在此模型基礎上進行彎曲和彎扭聯(lián)合工況分析，得到了車架各工況下的應力分布，然后對車架進行模態(tài)分析，得到車架的各階固有頻率和固有振型，為以后的高級動應力分析做準備。最后，根據(jù)這些計算結(jié)果，找出車架最容易破壞的地方，通過這一部分的可靠度研究來分析整個車架的可靠性。目前人們對使用這種方法進行的車架分析已有很多研究，但是對使用這種方法進行車架分析的過程及一些注意問題研究的還很少，所以就會導致剛?cè)腴T的一些工程人員使用這種方法進行分析時走很多彎路，甚至得到的結(jié)果是錯誤的。本文通過對車架有限元結(jié)構(gòu)分

4、析來講述分析的過程及注意事項，為有限元分析技術應用于車架設計提供了一種規(guī)范化的過程與步驟。關鍵詞 Pro/E；ANSYS；靜力分析；模態(tài)分析；可靠性Study on Reliability of Frame Based on ANSYSAbstractIn this paper, the static and modal of Changchun FAW Light Vehicle Production Huakai brand CA5160CLXYK28L5BE3A type truck frame is analyzed. Frame size is measured in Henan f

5、amous Auto Plaza, some important parameters through the network to look up. Frame solid model is assembled in Pro / E, and then imported into ANSYS. Frame FEM computation model taking solid as basic unit is established. Based on this model, firstly, static is analyzed and the stress distribution of

6、frame under various static working condition is attained; secondly, modal analysis of frame is carried out and natural frequency and modes of this frame is received， the dynamic stress analysis of future high-level preparation. Finally, according to the results, identify the most easily damaged part

7、s of the frame, and then to evaluate the reliability of this part of the reliability of the entire frame.Now people use this method of frame analysis has been a lot of research, however, the use of this method should be noted that very few people still study area, it will lead to a number of enginee

8、rs has just started to use this method of analysis, taking many detours, and even the results obtained is wrong.Based on the frame finite element analysis to describe the process of analysis and attention are matters for the finite element analysis technology to provide a standardized frame design p

9、rocess and steps.Keywords Pro / E; ANSYS; static analysis; modal analysis; reliability目 錄中文摘要英文摘要1 緒論 11.1 課題的背景 11.2 論文選題的意義與目的 1 1 21.3 有限元法在車架結(jié)構(gòu)設計中的應用現(xiàn)狀及問題 2車架結(jié)構(gòu)設計與分析的概述 2車架結(jié)構(gòu)有限元模型的形式 2有限元法在車架結(jié)構(gòu)分析中存在的問題 31.4本文的主要研究內(nèi)容 32 ANSYS軟件的介紹 42.1 ANSYS的主要功能 42.2 ANSYS提供的分析類型 42.3 ANSYS的典型分析步驟 5建立有限元模型 5加載求解

10、 6查看求解結(jié)果 72.4本章小結(jié) 73 車架實體模型的建立 83.1 車架總體介紹 83.2 PRO/ENGINEER基本功能 83.3 模型的簡化 93.5 PRO/E使用經(jīng)驗 133.6 本章小結(jié) 154 車架有限元模型的建立 164.1 PRO/E和ANSYS的連接 164.2 單位轉(zhuǎn)換 17單位轉(zhuǎn)換的原因 17單位制問題解決的辦法 174.3 模型的導入 194.4 有限元模型的建立 194.5 BOOLEANS運算 22未進行Booleans運算的分析結(jié)果 22運算命令的選擇 254.6干涉問題 25裝配體中有零件干涉將會出現(xiàn)的問題 26裝配體中零件間發(fā)生干涉后的解決方法 294.

11、7由于鏡像命令而引起的模型損失問題 31模型損失問題的描述 31模型損失問題的解決辦法 324.8本章小結(jié) 325 車架靜力分析 335.1 車架結(jié)構(gòu)有限元分析的類型 335.2 SOLID92單元簡介 335.3 汽車彎曲工況的分析 34 34 385.4 汽車彎扭聯(lián)合工況的分析 40 40 425.5 車架ANSYS靜力分析經(jīng)驗 43 43 44 44 44 455.6 本章小結(jié) 466 車架模態(tài)分析 476.1 模態(tài)分析的理論基礎 476.2 車架模態(tài)分析的類型 486.3 兩種狀態(tài)時的結(jié)果對比分析 52 52 536.4 模態(tài)分析中的約束問題 646.5 模態(tài)分析中要不要考慮重力 65

12、6.7 本章小結(jié) 667 可靠性分析 677.1 可靠性概述 67 67 67 677.2 常規(guī)設計與可靠性設計 677.3 ANSYS可靠性分析功能 68 68 69 707.4 車架可靠性 70 70 70 717.5 本章小節(jié) 788 論文總結(jié) 798.1 所做的工作 798.2 需要進一步改進的地方 79致 謝 80參考文獻 811 緒論計算機的出現(xiàn)給社會帶來了深刻的變革，同時也為工程結(jié)構(gòu)的設計、制造提供了強有力工具。汽車產(chǎn)業(yè)屬于高科技產(chǎn)業(yè)，要設計生產(chǎn)出性能優(yōu)越、安全可靠的汽車，不應用計算機進行輔助設計分析是根本不可能實現(xiàn)的。因此，汽車的各個生產(chǎn)設計部門都非常重視在設計制造過程中采用計

13、算機技術。其中，用于結(jié)構(gòu)設計中的有限元法是近幾十年發(fā)展起來的新的計算方法和技術，可以解決以往許多手工計算無法解決的問題，為企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益1。1.1 課題的背景當十八世紀即將卸下帷幕的時候，出現(xiàn)了一種當時人們都不屑的交通工具?？墒钦l也沒有想到它會發(fā)展的那么快，對現(xiàn)在人們的生活會有那么大的影響。這種交通工具就是汽車。而當時人們最熱衷的馬車卻早已不見蹤影。百年來的發(fā)展，現(xiàn)在的汽車已經(jīng)超出了交通工具的范疇，正在朝著個性化的方向發(fā)展。雖然如此，汽車的可靠性還是不容忽視的，如最近豐田汽車（Toyota）發(fā)生的因制動腳踏板、電子制動主動系統(tǒng)所引發(fā)的召回門事件，在常人看來，一方面是由于“豐田

14、”的擴張過快，所造成了企業(yè)在發(fā)展的速度上無暇顧及發(fā)展過后的穩(wěn)妥質(zhì)量把握問題；另一方面“豐田”的控制成本讓世界感到驚訝。所以，在“豐田”汽車質(zhì)量問題在北美東窗事發(fā)之際，汽車的可靠性，儼然已經(jīng)成為令人注目的大問題。現(xiàn)代企業(yè)為了發(fā)展，在產(chǎn)品的開發(fā)設計上就必須短開發(fā)周期，進而降低開發(fā)成本，而利用有限元軟件對產(chǎn)品進行分析正好滿足企業(yè)的要求。特別是誕生于七十年代的ANSYS軟件，由于其出色的功能和幾乎完美的計算而席卷了有限元大半個市場。車架是汽車各總成的安裝基體，它的功能是將發(fā)動機、底盤、車身等總成連成一輛完整的汽車。在行駛中，它不但要承受汽車各總成的質(zhì)量和有效載荷，而且還要承受行駛時所產(chǎn)生的各種靜載荷和

15、動載荷2。由于現(xiàn)在汽車不斷向著高速化發(fā)展，為了保證安全行駛，所以車架設計的可靠性就顯得非常重要了。利用ANSYS軟件對汽車車架進行可靠性分析，可以在設計階段判斷車架的壽命薄弱位置，通過修改設計可以預先避免不合理的強度剛度分布。因此，它能夠減少試驗樣機的數(shù)量，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，進而降低開發(fā)成本，提高市場競爭力。因此，正是基于以上情況，我選擇了課題基于ANSYS的汽車車架可靠性分析研究作為自己的畢業(yè)設計。希望我的工作對今后使用ANSYS分析汽車車架可靠性并由此而進行的車架設計提供理論支持和數(shù)據(jù)參考。1.2 論文選題的意義與目的隨著現(xiàn)代汽車設計要求的日益提高，將有限元法運用于車架設計已經(jīng)成為必然的

16、趨勢，主要體現(xiàn)在：(1 運用有限元法對初步設計的車架進行輔助分析將大大提高車架開發(fā)、設計、分析和制造的效能和車架的性能3。(2 車架在各種載荷作用下，將發(fā)生彎曲、偏心扭轉(zhuǎn)和整體扭轉(zhuǎn)等變形。傳統(tǒng)的車架設計方法很難綜合考慮汽車的復雜受力及變形情況，有限元法正好能夠解決這一問題4。(3 利用有限元法進行結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，可以得到車架結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性。從設計上避免車架出現(xiàn)共振的現(xiàn)象。(4 通過可靠性計算模塊，能預測產(chǎn)品的可靠度，為產(chǎn)品的設計及投入市場提供依據(jù)。綜上所述，有限元法已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車設計的重要工具之一，在汽車產(chǎn)品更新速度越來越快，設計成本越來越低和舒適性要求越來越高的今天，對于提高汽車產(chǎn)品的質(zhì)量、

17、降低產(chǎn)品開發(fā)與生產(chǎn)制造成本，提高汽車產(chǎn)品在市場上的競爭能力具有重要意義。通過本文的研究，基本達到以下目的：(1 建立車架結(jié)構(gòu)有限元分析的規(guī)范化步驟，為將有限元技術應用于車架設計做好基礎性工作。(2 通過運用有限元軟件對車架結(jié)構(gòu)進行分析，可供車架設計有關人員提供參考。(3 對所研究的車架進行結(jié)構(gòu)的靜、動態(tài)特性分析，為車架的設計提供理論支持。(4 講述分析的過程及注意是事項，提供實際的參考價值。1.3 有限元法在車架結(jié)構(gòu)設計中的應用現(xiàn)狀及問題早期車架設計采用設計和試驗交叉進行5-6，即在車架結(jié)構(gòu)定型之前往往經(jīng)過多輪設計，設計面對的對象是實物，需要經(jīng)過樣品制造試驗修改再設計的往復，這種方式不可避免地

18、導致整個設計過程周期長，以及人力、物力和財力資源的嚴重浪費。那個時候車架結(jié)構(gòu)性能計算是通過將車架簡化成單根縱梁，進行彎曲強度校核，由于很多梁是變截面的，這樣就不得不在變截面處使用多根梁來模擬，這種方法算得的結(jié)果誤差很大。接著提出的車架結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)強度計算方法，但是只能計算純扭轉(zhuǎn)工況，不能考慮車架的實際工況，并且計算比較復雜，工作量大，在實際運用中存在著很大的困難。后來，人們將比較設計的思想應用于車架設計中。這種設計方法是以同一類型的成熟樣車為參考來進行車架的設計，由于這樣的對照設計考慮的因素比較少并且設計出來的產(chǎn)品比較安全，所以目前依然是車架結(jié)構(gòu)初步設計的主要方法，但是，這種方法可能造成車架各處強

19、度不均勻，某些局部強度富裕較大，產(chǎn)生材料浪費等現(xiàn)象。20世紀60年代以來，由于電子計算機的迅速發(fā)展，有限元法在工程上獲得了廣泛應用7-12。有限元法不需要對所分析的結(jié)構(gòu)進行嚴格的簡化，既可以考慮各種計算要求和條件，也可以計算各種工況，而且計算精度高。有限元法將具有無限個自由度的連續(xù)體離散為有限個自由度的單元集合體，使問題簡化為適合于數(shù)值解法的問題。只要確定了單元的力學特性，就可以按照結(jié)構(gòu)分析的方法求解，使分析過程大為簡化，配以計算機就可以解決許多解析法無法解決的復雜工程問題。目前，有限元法已經(jīng)成為求解數(shù)學、物理、力學以及工程問題的一種有效的數(shù)值方法13。有限元分析是用一組離散化的單元集合來代替

20、連續(xù)體結(jié)構(gòu)進行分析的，這種單元集合體稱為有限元模型14。如果已知各個單元的剛度特性，就可以根據(jù)節(jié)點的變形連續(xù)條件和平衡條件推出結(jié)構(gòu)的特性并研究其性能。由于有限元法是一種近似的數(shù)值方法，其計算結(jié)果是近似解，精度主要取決于離散化誤差。因此，有限元模型的建立是進行有限元分析的關鍵性一步。根據(jù)采用的單元形式，車架有限元模型可以分為梁單元模型、板殼單元模型和實體單元模型。梁單元模型將車架簡化為一組兩個節(jié)點的梁單元組成的框架結(jié)構(gòu)，用梁單元的截面特性反映車架的實際結(jié)構(gòu)特性。這種結(jié)構(gòu)單元和節(jié)點數(shù)目少，計算速度快；但是計算精度低，而且不能處理應力集中問題。梁單元模型適用于車架結(jié)構(gòu)的初步方案設計。板殼單元模型用板

21、殼單元將車架的縱、橫梁及連接板進行離散化，用板殼單元的厚度描述零件的厚度。這種結(jié)構(gòu)單元準確的描述了形狀復雜的車架結(jié)構(gòu)，大大提高了有限元分析的精度，能夠處理連接部位的應力問題；但是這種模型單元與節(jié)點數(shù)目眾多，前處理工作量大，需要計算機內(nèi)存大，計算速度慢。板殼單元模型適用于對車架分析精度要求較高的場合。實體單元模型能夠很好地分析車架縱梁和橫梁連接處的應力變化情況，但是用作模態(tài)分析時，往往存在剛性過大現(xiàn)象3。(1 采用適當?shù)挠邢拊Ｐ停瑢ζ囓嚰芙Y(jié)構(gòu)進行靜力分析和模態(tài)分析正在成為一種常用的分析手段，但對汽車車架結(jié)構(gòu)進行有限元動力響應分析的研究目前還很不成熟。15(2 可靠性要求已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車設計的

22、重要任務。如何在設計階段估算車架的可靠性已成為急需解決的問題。(3 采用實體單元建立的車架有限元模型，板殼之間的鉚釘及螺栓連接的模擬形式對于汽車車架結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果有較大的影響，如何建立這種連接方式是一個值得探討的問題。(4 近些年來，大多數(shù)國內(nèi)汽車廠家已花巨資購買了各種與有限元分析相關的商業(yè)化軟件。這些軟件功能完備，精度高，以及通用性和可靠性好，如何學習、消化與吸收花巨資引進的軟件，為我所用，是實際工作必須面對的問題，對于汽車車架結(jié)構(gòu)有限元分析更是如此15。1.4 本文的主要研究內(nèi)容ANSYS是大型的通用有限元軟件，其功能強大，可靠性好，具有強大的結(jié)構(gòu)分析能力和優(yōu)化設計模塊，因而被國外大多數(shù)汽

23、車公司所采用。本文將基于ANSYS建立車架結(jié)構(gòu)的有限元模型，對汽車車架結(jié)構(gòu)進行靜力和動力分析。首先，對ANSYS進行了簡要的介紹，為車架結(jié)構(gòu)的有限元分析做好準備工作；然后，以長春一汽輕型車廠生產(chǎn)的華凱牌CA5160CLXYK28L5BE3A型倉柵運輸車車架結(jié)構(gòu)為研究對象，利用Pro/E建立了車架結(jié)構(gòu)實體單元模型，然后導入ANSYS對結(jié)構(gòu)的靜、動態(tài)特性進行深入研究，對車架進行可靠性評價，并給出一些分析步驟和一些實用技巧及注意事項。2 ANSYS軟件的介紹ANSYS公司是由美國著名力學專家美國匹茲堡大學力學系教授John Swanson博士于1970年創(chuàng)建并發(fā)展起來的，是目前世界CAE行業(yè)中最大的

24、公司。經(jīng)過30多年的發(fā)展，ANSYS軟件不斷發(fā)展提高，目前已發(fā)展到12.0版本14。在汽車行業(yè)中，ANSYS廣泛應用于各大汽車總成，包括車架、車身、車橋、離合器、輪胎、殼體等零部件以及整車的通過性和平順性的分析，大大提高了汽車的設計水平，正在成為設計計算的強有力工具之一。2.1 ANSYS的主要功能ANSYS有限元軟件包是一個多用途的有限元法計算機設計程序，可以用來求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場及碰撞等問題。因此它可應用于以下工業(yè)領域：航空航天、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機械、微機電系統(tǒng)、運動器械等。軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊前處理

25、模塊提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型。ANSYS的前處理模塊主要有兩部分內(nèi)容：實體建模和網(wǎng)格劃分。分析計算模塊分析計算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力。后處理模塊后處理模塊可將計算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來，也可將計算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。軟件提供了200種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)

26、和材料。2.2 ANSYS提供的分析類型ANSYS軟件提供的分析類型如下：結(jié)構(gòu)靜力分析用來求解外載荷引起的位移、應力和力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對結(jié)構(gòu)的影響并不顯著的問題。ANSYS程序中的靜力分析不僅可以進行線性分析，而且也可以進行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應變及接觸分析。結(jié)構(gòu)動力學分析結(jié)構(gòu)動力學分析用來求解隨時間變化的載荷對結(jié)構(gòu)或部件的影響。與靜力分析不同，動力分析要考慮隨時間變化的力載荷以及它對阻尼和慣性的影響。ANSYS可進行的結(jié)構(gòu)動力學分析類型包括：瞬態(tài)動力學分析、模態(tài)分析、諧波響應分析及隨機振動響應分析。結(jié)構(gòu)非線性分析結(jié)構(gòu)非線性導致結(jié)構(gòu)或部件的響應隨外載荷不成

27、比例變化。ANSYS程序可求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種。動力學分析ANSYS程序可以分析大型三維柔體運動。當運動的積累影響起主要作用時，可使用這些功能分析復雜結(jié)構(gòu)在空間中的運動特性，并確定結(jié)構(gòu)中由此產(chǎn)生的應力、應變和變形。熱分析程序可處理熱傳遞的三種基本類型：傳導、對流和輻射。熱傳遞的三種類型均可進行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析。熱分析還具有可以模擬材料固化和熔解過程的相變分析能力以及模擬熱與結(jié)構(gòu)應力之間的熱結(jié)構(gòu)耦合分析能力。電磁場分析主要用于電磁場問題的分析，如電感、電容、磁通量密度、渦流、電場分布、磁力線分布、力、運動效應、電路和能量損失等。還可用于

28、螺線管、調(diào)節(jié)器、發(fā)電機、變換器、磁體、加速器、電解槽及無損檢測裝置等的設計和分析領域。流體動力學分析ANSYS流體單元能進行流體動力學分析，分析類型可以為瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)。分析結(jié)果可以是每個節(jié)點的壓力和通過每個單元的流率。并且可以利用后處理功能產(chǎn)生壓力、流率和溫度分布的圖形顯示。另外，還可以使用三維表面效應單元和熱流管單元模擬結(jié)構(gòu)的流體繞流并包括對流換熱效應。聲場分析程序的聲學功能用來研究在含有流體的介質(zhì)中聲波的傳播，或分析浸在流體中的固體結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性。這些功能可用來確定音響話筒的頻率響應，研究音樂大廳的聲場強度分布，或預測水對振動船體的阻尼效應。壓電分析用于分析二維或三維結(jié)構(gòu)對AC（交流）、DC

29、（直流）或任意隨時間變化的電流或機械載荷的響應。這種分析類型可用于換熱器、振蕩器、諧振器、麥克風等部件及其它電子設備的結(jié)構(gòu)動態(tài)性能分析?？蛇M行四種類型的分析：靜態(tài)分析、模態(tài)分析、諧波響應分析、瞬態(tài)響應分析。2.3 ANSYS的典型分析步驟該項工作并不是必須要求做的，但是做對多個工程問題進行分析時推薦使用工作文件名和工作標題。文件名是用來識別ANSYS作業(yè)的，通過為分析的工程指定文件名，可以確保文件不被覆蓋。如果用戶在分析開始沒有定義工作文件名，則所有的文件名都被默認地設置為file。ANSYS的工作文件名可以通過如下方式進行改寫：一是進入ANSYS時通過入口選項進行修改；二是進入ANSYS后，

30、可以通過以下命令或菜單方式進行修改：Command:FILNAMEGUI:Main Menu-File-Change Jobname用下列命令或菜單方式定義工作標題：command:TITLEGUI:Utility Menu-File-Change TileANSYS提供了將近200種不同的單元類型，每一種單元類型都有自己特定的編號和單元類型名，如PLANE182、SOLID90、SHELL208等；單元關鍵字定義了單元的不同特性，如軸對稱，平面應力等，用戶需根據(jù)需要選擇相應的單元類型，并設置其關鍵字。隨著版本的不斷升級，有些老的單元被停用和新的單元被添加。用下列命令或菜單方式定義單元類型：C

31、ommand:ETGUI:Main Menu-Preprocessor-Element Type-Add/Edit/Delete用下列命令或菜單方式定義單元關鍵字：Command:KEYOPTGUI:Main Menu-Preprocessor-Element Type-Add/Edit/Delete實常數(shù)指某一單元的補充幾何特征，如單元的厚度、梁的橫截面積和慣性矩等，指定了單元類型之后，應根據(jù)單元類型指定相應的實常數(shù)。用下列命令或菜單方式定義單元實常數(shù)：Command:RGUI:Main Menu-Preprocessor-Real Constants-Add/Edit/Delte在所有的分

32、析中都要輸入材料屬性，材料屬性根據(jù)分析問題的物理環(huán)境不同而不同。如在結(jié)構(gòu)分析中必須輸入材料的彈性摸量、泊松比；在熱結(jié)構(gòu)耦合分析中必須輸入材料的熱導、線膨脹系數(shù)；如果在分析工程中需要考慮重力、慣性力，則必須要輸入材料的密度。用下列命令或菜單方式定義材料屬性：Command:MP、TBGUI:Main Menu-Preprocessor-Material PropsANSYS定義了上百種材料模型，用戶只需要按照模型格式輸入相關數(shù)據(jù)即可定義常用材料和某些特定材料的材料屬性。除了磁場分析之外，在輸入數(shù)據(jù)時用戶不需要指定ANSYS所用的單位，但要注意確保所輸入量的單位必須保持統(tǒng)一。ANSYS提供了下列生

33、成模型的方法：用ANAYS直接創(chuàng)建實體模型和輸入在計算機輔助設計系統(tǒng)創(chuàng)建的模型，本文采用第二種方法，在Pro/E中創(chuàng)建模型。然后導入。采用實體建模有自底向上建模和自頂向下建模兩種方法。所謂自底向上建模是指先定義關鍵點，然后利用關鍵點定義較高級的實體圖元（即線、面和體）；而自頂向下建模是指生成體素，屬于該體素的較低級圖元會由ANSYS自動生成。在實體建模的過程中，這兩種建模技術可以自由組合。有限元模型是將幾何模型劃分為有限個單元，單元間通過節(jié)點相連接，在每個單元和節(jié)點上求解物理問題的近似解。在有限元模型建立之后，可以運用SOLUTION處理器定義分析類型和分析選項，施加載荷，指定載荷步長，進行求

34、解。具體步驟如下：ANSYS的分析類型包括：靜態(tài)、瞬態(tài)、調(diào)諧、模態(tài)、譜分析、撓度和子結(jié)構(gòu)分析等，用戶可以根據(jù)需要解決的工程問題進行選擇。ANSYS的載荷可分為六大類：位移約束、力、表面分布載荷、體積載荷、慣性載荷、耦合場載荷。這些載荷大部分可以施加到集合模型上，包括關鍵點、線和面；也可以施加到有限元模型上，包括單元和節(jié)點。載荷步選項的功能是對載荷步進行修改和控制，包括對子步數(shù)、步長和輸出控制等。程序計算完成之后，可以通過通用后處理POST1和時間歷程后處理POST26查看求解結(jié)果。POST1用于查看整個模型或部分模型在某一時間步的計算結(jié)果，POST26后處理器用于查看模型的特定點在所有時間步內(nèi)

35、的計算結(jié)果。2.4 本章小結(jié)對有限元分析軟件ANSYS的發(fā)展過程、特點及功能進行了簡要的概述，并對ANSYS的典型分析步驟做了介紹，為以后應用該軟件做好了準備。3 車架實體模型的建立由于ANSYS對復雜模型的創(chuàng)建十分困難，所以在做本課題時采用在Pro/E中裝配車架實體模型，然后導入ANSYS通過前處理模塊的操作使實體模型成為有限元模型。該車架的尺寸在河南名優(yōu)汽配廣場測得。3.1 車架總體介紹該車架是典型的邊梁式結(jié)構(gòu)，主要由4根縱梁及八根橫梁組成。整個車架前后等寬，車架長8241mm，寬870mm。車架的材料為16Mn?？v梁和橫梁之間為鉚釘連接。第4、5、6、7根橫梁和內(nèi)縱梁通過厚5mm的加強板

36、鉚接。該車架的實物圖如圖3.1。圖3.1華凱牌CA5160CLXYK28L5BE3A型倉柵運輸車車架實物圖3.2 Pro/Engineer基本功能Pro/Engineer，簡稱Pro/E，是由美國PTC公司開發(fā)的大型三維CAD/CAE/CAM一體化產(chǎn)品造型系統(tǒng)。Pro/E能夠完成特征建模、參數(shù)化設計、零件實體造型及裝配造型、完整工程圖產(chǎn)生等工作。通過標準數(shù)據(jù)交換格式，Pro/E可以輸出三維或二維圖形用于其它應用軟件。使用Pro/E配置的開發(fā)模塊或利用C語言，用戶也可以擴展與增強Pro/E的功能。Pro/E的基本功能是：(1 特征建模在Pro/E中，特征是組成模型的基本單位，如：凸臺、槽、倒角、

37、腔、殼等特征。模型創(chuàng)建過程就是按照一定順序以“搭積木”的方式添加各類特征的過程，通過構(gòu)建不同的特征建立幾何模型。(2 參數(shù)化設計參數(shù)化設計是指設計者只需抓住圖形的某一個典型特點繪出圖形的大致形狀，通過向圖形添加適當?shù)募s束條件規(guī)范其形狀，最后修改圖形的尺寸數(shù)值，經(jīng)過系統(tǒng)再生即可獲得需要的圖形。(3 支持大型、復雜組合件的設計Pro/E支持大型、復雜組合件的構(gòu)造和管理，可以利用一些直觀的命令，如“嚙合”、“插入”、“對齊”等，將基本零件裝配起來，形成組合件。(4 整個設計環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)完全相關在整個設計過程，Pro/E各個模塊共享模型的數(shù)據(jù)庫文件，在產(chǎn)品開發(fā)過程中某一處數(shù)據(jù)修改了，整個設計中的所有相關

38、數(shù)據(jù)也隨之自動修改16。3.3 模型的簡化車架是一個大型復雜的裝配體，如果不做一些優(yōu)化就進行整體分析，不但實體建模費時，而且在ANSYS的環(huán)境下劃分網(wǎng)格就更困難，求解也要耗費更多的時間，這樣得到的結(jié)果顯然不經(jīng)濟，甚至就求解不了，因為未經(jīng)簡化的模型結(jié)構(gòu)比較復雜，越是復雜就越容易出現(xiàn)的錯誤。如果結(jié)構(gòu)經(jīng)過合理簡化，不需要耗太多工夫而得到的結(jié)果同樣很準確。做本課題時簡化的構(gòu)件有：(1 忽略所有的倒角。比如縱梁和橫梁等上的所有圓角過渡。如圖3.2 。圖3.2 車架縱梁和橫梁斷面形狀的處理(2 忽略縱梁和橫梁上所有直徑較小的孔。這些孔有些是裝配孔，有些是防止應力集中的孔等。span(3 忽略所有的螺栓和鉚

39、釘。這些小部件在ANSYS中分網(wǎng)極其困難，并且需要很多單元來模擬，如果不是專門進行這些連接處分析，則不值得建這些零部件。(4 去掉一些不影響整體車架性能的零部件。比如備胎和油箱的支架、橫梁上傳動軸的支架等車架附屬件，如果對懸架使用彈簧和剛性桿單元模擬或者是通過指定位移模擬，則可忽略減震器的建模(5 簡化一些零件的建模。比如前后鋼板彈簧支架的建模，由于這些零部件都是鑄造的，形狀很復雜，我們只需根據(jù)其受力特點建出簡化模型即可。3.4 建模過程根據(jù)實地測量的華凱牌CA5160CLXYK28L5BE3A型倉柵運輸車車架的各個零件的尺寸，創(chuàng)建各個零件。表1.1為該車的一些參數(shù)。表3.1 CA5160整車

40、的一些重要參數(shù)2012年7發(fā)動機功率(kw：9 ： 00-12 發(fā)動機排量：下午：13：4752 00第二天(kw： 00-12：00 培訓時長】第一天105 名稱數(shù)值車輛外形長 (mm8980車輛外形寬 (mm2490車輛外形高 (mm3740貨廂長 (mm6700貨廂寬 (mm2300貨廂高 (mm600整備質(zhì)量（ 肯、日立光電、豐田汽車、中芯國際、立邦涂料、YKK、江鈴汽車、東風朝柴、友達光電,江6310, 客戶滿意率 95%以上總質(zhì)量 Kg）培訓時間】：全年循環(huán)開課，更多培訓時間請聯(lián)系！2012年5月19-20 年9000月1-2日深圳 2012年6月5610(日上海（后）00 下午：

41、13：30-17：【適合對象】企業(yè)廠長、制造業(yè)生產(chǎn)總監(jiān)、生產(chǎn)經(jīng)理、車間主任及生產(chǎn)制造主管及一線干部2【報名咨詢】敖先生(07558622 2415 移動電話： 135 1093 6819 在線： 4763 04896 節(jié) 的簡化處理思路，共創(chuàng)建 （課程咨詢） 個零件，各零件的名稱列于表 】華晟培訓 表3.2 簡化后的車架零件和零件的數(shù)量【報名回執(zhí)左內(nèi)縱梁本公司共有_人參加_年_月_日于_第一根橫梁參加人員第六根橫梁與縱梁槽型連接板手機號碼前鋼板彈簧滑板端支架右外縱梁訓地址】1右內(nèi)縱梁_的培訓，報名人員如下： 【培訓費用1980左外縱梁元/人11單位名稱1經(jīng)辦人員第二根橫梁1第三根橫梁（發(fā)動機后

42、懸置梁）1第四根橫梁1第四根橫梁與縱梁槽型連接板2第五根橫梁傳真號碼1第五根橫梁與縱梁槽型連接板2第六根橫梁12第七根橫梁姓名1第七根橫梁與縱梁槽型連接板2職務第八根橫梁12郵箱2后鋼板彈簧滑板端支架2后鋼板彈簧固定端支架2后副鋼板彈簧支架4車廂緊固角鋼4將這36個零件在Pro/E的組件環(huán)境下裝配成如圖和3.4的車架實體模型。圖3.3 車架的整體視圖圖3.4 車架的三維實體模型因為發(fā)動機后懸置梁和外縱梁的建模過程有一些非常簡單的過程，所以這里簡要說明一下(1 發(fā)動機后懸置梁的建模過程Ø 插入掃描伸出項，繪制如圖3.5的掃描軌跡。圖3.5 發(fā)動機后懸置梁的草繪軌跡Ø 然后畫出

43、截面形狀，最后得到發(fā)動機后懸置梁的實體模型，如圖3.6 。圖3.6 可見只要一個掃描命令即可建成發(fā)動機后懸置梁的實體模型，如果使用拉伸命令則會很麻煩，所以在建模前不要盲目下手，先思考模型的特點，這樣反而會節(jié)省很多時間。(2 左外縱梁的建模過程Ø 使用拉伸命令創(chuàng)建如圖3.7所示的實體圖3.7 使用拉伸命令創(chuàng)建的左外縱梁Ø 然后使用抽殼命令一步生成左外縱梁，注意抽殼時在參照里把三個不要的面全部選中，這樣才能抽成圖3.8的樣子。圖3.8 左外縱梁模型的局部視圖3.5 Pro/E使用經(jīng)驗(1 Pro/E的啟動速度很慢，為了加快啟動速度，可選擇：工具定制屏幕 瀏覽器，改為不選，或則干

44、脆讓瀏覽器打開空頁面，設置方法為在配置文件中設置：web_browser_homepage :BLANK (2 設置一個啟動目錄。這雖然是一個常識問題，但還是很多人沒有注意到。啟動目錄是啟動Pro/E后軟件默認的工作目錄所在的位置，如果不進行修改的話，那么設計的文件都將會缺省保存在這個位置，很不方便查找和保存。(3 要養(yǎng)成經(jīng)常拭除不顯示的文件。如果使用Pro/E時間比較長，就會發(fā)現(xiàn)電腦運行速度很慢，原來關閉窗口后，以前所有的文件還在內(nèi)存中，這是要我們手動釋放這些內(nèi)存的。有時我們發(fā)現(xiàn)修改一個零件后并沒有保存，但是打開這個零件后發(fā)現(xiàn)是修改后的樣子，原來Pro/E使用的是暫存在內(nèi)

45、存中最后修改的文件，這樣非常容易造成當我們再次打開電腦時發(fā)現(xiàn)有些零件還是修改前的樣子，所以一定要養(yǎng)成經(jīng)常拭除不顯示的文件，一方面為了Pro/E的速度，另一方面為了減少出錯的機會。(4 Pro/E經(jīng)常會由于種種原因自動關閉，所以應養(yǎng)成建模過程經(jīng)常保存的習慣。(5 繪圖時，要培養(yǎng)使用鼠標右鍵的習慣，Pro/E會自動判斷何種環(huán)境下會有什么樣的菜單命令。(6 當要打開一個組件中的一個零件時，點瀏覽，在瀏覽窗口再點這個零件，然后這個零件就會單獨出現(xiàn)在瀏覽窗口，就可以直接打開了。(7 在裝配零件時，如果最后一個約束出現(xiàn)約束無效的提示時，這時不必刪除約束重裝，也不需要考慮需要什么約束，只需要在約束框的下拉列

46、表中選擇另一個就能完全約束了。這里以第一根橫梁的裝配為例來說明。當前兩個約束關系確定后，最后這個關系不用選擇，直接選擇要約束的元素，這時如果出現(xiàn)圖3.9的情況，可按照圖3.10的做法，然后就會出現(xiàn)圖3.11完全約束的提示。圖3.9 系統(tǒng)提示約束無效圖3.10 處理約束無效的方法圖3.11 完全約束的第一根橫梁3.6本章簡要介紹了Pro/EPro/E中創(chuàng)建了該車架的全部零件，然后在裝配環(huán)境下得到車架的實體模型。4 車架在Pro/E中裝配成實體模型后，必須導入到ANSYS中賦予屬性，劃分了單元才是有限元模型。本章講述車架有限元模型的創(chuàng)建。4.1 Pro/E和ANSYS的連接在運行ANSYS11.0

47、安裝程序的時候，選擇連接的軟件Pro/E，如圖4.1然后選擇Pro/E的安裝路徑，如圖4.2。圖4.1選擇Pro/E 圖4.2 選擇Pro/E的安裝路徑安裝完成后，找到你安裝盤:Program FilesANSYS Incv110AISOLCAD IntegrationProEProEPagesconfig，用記事本打開WBPlugInPE.dat文件，對照下面的代碼，把缺少的斜體代碼加進去。NAME WB110PluginProWF EXEC_FILE $AWP_ROOT110AISOLCAD IntegrationProE$ANSYS_SYSDIRWBPlugInPEU.dll TEXT_

48、DIR $AWP_ROOT110AISOLCAD IntegrationProEProEPagesLanguage$AWP_LOCALE110 STARTUP dll delay_start FALSE allow_stop TRUE unicode_encoding FALSE REVISION ProEWildfire END name ac4pro110dll exec_path $AWP_ROOT110ANSYSac4binpro$ANSYS_SYSDIRac4pro.exe text_path $AWP_ROOT110ANSYSac4dataprotext STARTUP dll d

49、elay_start FALSE allow_stop TRUE unicode_encoding FALSErevision 24.0 end現(xiàn)在打開Pro/E，在菜單欄就會出現(xiàn)ANSYS11.0的菜單，如圖4.3圖4.3Pro/E中的菜單4.2 單位轉(zhuǎn)換在Pro/E中無論是出零件還是裝配體，所采用的單位基本上都是公制，即mmns 。而在ANSYS中分析時，往往不注意單位。當結(jié)合這兩款軟件作分析時就會發(fā)現(xiàn)分析的結(jié)果嚴重失常。究其原因，ANSYS中原來并沒有單位，只要把單位統(tǒng)一就不會出現(xiàn)問題。比如長度為mm，時間為sec時，那么輸入重力加速度g就只能是9800了，而如果輸入9.800，其分析的

50、結(jié)果可想而知了。再比如在Pro/E里面采用的長度單位是米，那么彈性模量的單位就是Pa ，如果在ANSYS中再把彈性模量的單位當做MPa ，結(jié)果肯定偏離的厲害，其它物理量也是類似情況。所以為了保證我們分析得到的是正確的結(jié)果，有下面2中方法：(1 建模時只確定幾個物理量的單位，在ANSYS中輸入?yún)?shù)的時候，將所有物理量的單位都依照確定量的單位做相應轉(zhuǎn)化。這里簡稱這種方法為統(tǒng)一法。(2 建模時就使用國際單位，在ANSYS中輸入?yún)?shù)的時候，所有物理量的單位都按照國際單位。這里簡稱這種方法為標準法。顯而易見，標準法簡單、工作量小、易于讀懂結(jié)果數(shù)據(jù)而且不易出錯。所以本課題在將車架實體模型導入ANSYS分析

51、前，先把裝配體中的單位轉(zhuǎn)化為國際標準單位。具體步驟如下：在Pro/E中選擇“編輯設置單位”，然后新建單位制，全部采用國際標準單位制，即長度：m ；質(zhì)量：kg ；時間：sec ；溫度：k ；如圖4.4所示。圖4.4 在Pro/E中新建單位制 圖4.5 Pro/E中改變模型單位對話框圖4.6單位轉(zhuǎn)換前車架的寬度 圖4.7單位轉(zhuǎn)換后車架的寬度圖4.8切換到國際單位制后ANSYS的單位 圖4.9數(shù)據(jù)導入ANSYS時的確認框再啟動ANSYS Geom ，導入模型后，首先運行“/units,si”，把系統(tǒng)單位制切換到國際單位制。運行“/status,units”查看單位，如圖4.8所示：至此，將在Pro/

52、E中所裝配的車架導入ANSYS分析時，出現(xiàn)的由于單位制導致的分析結(jié)果異常問題已經(jīng)解決。4.3 模型的導入裝配好的車架經(jīng)過檢查沒問題后，首先進行單位轉(zhuǎn)換，然后在Pro/E的菜單中依次選擇ANSYS11.0>ANSYS Geom,啟動ANSYS，在出現(xiàn)的如圖4.9的消息框點擊OK，然后在ANSYS的菜單里依次選取Plot>Volumes,這時車架即顯示在了ANSYS的圖像顯示窗口里。4.4 有限元模型的建立 導入模型后，先將ANSYS的工作環(huán)境設置在國際標準單位制下。由于這一步?jīng)]有GUI操作，所以只能在命令框里輸入“/status,units” 。根據(jù)車架實際受力情況和各單元的特性，我

53、們選擇SOLID92單元作為車架裝配體所有零件分網(wǎng)時的單元賦予類型，圖4.10為選擇的單元類型。圖4.10 選擇的SOLID92單元定義材料屬性，車架的材料為16Mn ，其彈性模型為2.06×1011Pa，泊松比為0.29，密度為7.85×103 Kg/m3圖4.11 定義材料彈性模量和泊松比 圖4.12 定義材料密度使用Overlap命令將車架各零件連接成一個相互聯(lián)系的整體。圖4.13為體Overlap對話框，單擊Pick all即可。這時發(fā)現(xiàn)各個零件的編號比較亂，可以使用壓縮編號命令選擇將所有元素編號壓縮一下，圖4.14為壓縮編號后的車架模型圖4.13 體Overlap

54、拾取對話框 圖4.14 壓縮編號后的車架模型劃分網(wǎng)格。圖4.15為分網(wǎng)前的單元賦予工作，當定義有不同單元或是不同實常數(shù)時必須操作這一步，這里可以省略。圖4.16為定義的單元尺寸大小，圖4.17為分網(wǎng)后，車架被離散成一個個連續(xù)的單元。這里之所以要定義單元尺寸，是因為車架模型比較復雜，使用其它分網(wǎng)方法比較困難，使用自由劃分時，如果再設置一下單元尺寸，將會很好地控制單元的數(shù)量。圖4.15單元屬性分配對話框圖4.16 定義單元尺寸對話框圖4.17 分網(wǎng)后的車架單元局部圖至此，實體車架模型已被離散成有數(shù)學意義的小單元，即有限元車架模型。4.5 Booleans運算對于Pro/E中裝配的實體模型，往往會認

55、為裝配體中的各個零件已經(jīng)全部約束，所以將裝配體模型導入ANSYS后，很多人不進行Booleans運算就劃分網(wǎng)格、求解等操作，這樣就會出現(xiàn)非常失真的結(jié)果，有些零件受力后根本就沒有發(fā)生變化，甚至由于求出的結(jié)果跟實際值差不太多而沒有發(fā)現(xiàn)自己的失誤等等情況。下面結(jié)合車架的一部分組件來分別說明這些情況，圖4.18為車架左縱梁部分，該部分由彈簧板支架和縱梁組成，縱梁部分有兩層，分別為內(nèi)縱梁和外縱梁，如圖4.19所示，這些零件都是在Pro/E中裝配而成。定義過屬性和劃分網(wǎng)格后，由于施加約束的位置不同將出現(xiàn)上面提到的兩種問題，所以這里分兩種情況分別討論。(1 在彈簧板支架附近的外縱梁上施加約束，約束這四處的所有自由度。(2 在彈簧板支架上施加約束，約束這四處的所有自由度。未進行Booleans運算的分析結(jié)果在彈簧板支架附近的外縱梁上施加約束，約束這四處的所有自由度施加約束并在外縱梁上翼緣的中部施加一集中力載荷后的有限元模型如圖4.20所示。為了比較清楚的查看并對比各個零件的變形情況，現(xiàn)分別將內(nèi)外縱梁、彈簧板支架的變形及節(jié)點應力等值線圖分別列于圖4.214.25 。圖4.18 車架左縱梁及附屬件模型圖4.19 車架左縱梁的組成圖4.20定義過載荷和約束的車架左縱梁圖4.